ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Ретчет-ефект – феномен виникнення направлених потоків наночастинок за допомогою введення в систему з просторовою та (або) часовою асиметрією нерівноважних флуктуацій. Він використовується як один із способів створення керованого нанотранспорту і є основою теорії броунівських моторів. Моделювання флуктуаційного руху – це перспективний спосіб чисельних розрахунків основних характеристик броунівських моторів, він дозволяє уникнути складних обчислень і швидко отримати прогнози щодо можливості або неможловості генерації направленого руху в конкретно обраній моделі. При моделюванні зазвичай нерівноважні флуктуації вводяться в систему за допомогою дихотомного процесу, який переключає два періодичні асиметричні потенціальні профілі через певні фіксовані проміжки часу (детерміністичний процес) або випадково, із середніми часами життя потенціалів (стохастичний процес). В даній роботі досліджується моделювання процесу виникнення ретчет-ефекту в рамках стрибкової моделі броунівського мотора методом парадоксальних ігор Паррондо для стохастичного дихотомного процесу і проводиться порівняння з аналогічним детерміністичним процесом. Запропоновано методику розрахунку основних характеристик мотора для стохастичного дихотомного процесу і показано, що вона у граничних випадках відповідає аналітичному опису цієї моделі. Показано, що стохастичність процесу безпосередньо впливає на характеристики ретчет-ефекту: поведінка траєкторій середніх зміщень наночастинок набуває принципово іншого характеру, ніж в детерміністичному описі, причому значима відмінність у цих процесах проявляється при малих значеннях часів життя станів. Проведено дослідження несиметричних дихотомних процесів для різних температурних режимів роботи мотора, що дозволило проаналізувати особливості виникнення направленого руху на рівні одиничних стрибків, а також сформулювати рекомендації щодо можливого покращення ефективності роботи мотора для різних температур: для високотемпературного режиму роботи доцільно скорочувати час життя стану з включеним потенціалом, а для низькотемпературного режиму його, навпаки, потрібно збільшувати.

Reimann P. Brownian Motors: Noisy Transport far from Equilibrium. Phys. Rep. 2002. 361(2-4): 57. https://doi.org/10.1016/S0370-1573(01)00081-3

Astumian R.D. Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science. 1997. 276(5314): 917. https://doi.org/10.1126/science.276.5314.917

Cubero D., Renzoni F. Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nanomotors. (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2016). https://doi.org/10.1017/CBO9781107478206

Hanggi P. Organic electronics: Harvesting randomness. Nat. Mater. 2011. 10: 6. https://doi.org/10.1038/nmat2925

Astumian R.D. Adiabatic Theory for Fluctuation-Induced Transport on a Periodic Potential. J. Phys. Chem. 1996. 100(49): 19075. https://doi.org/10.1021/jp961614m

Kay E. R., Leigh D. A., Zerbetto F. Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2007. 46(1-2): 72. https://doi.org/10.1002/anie.200504313

Cheetham M.R., Bramble J.P., McMillan D.G.G., Bushby R.J., Olmsted P.D., Jeuken L.J.C., Evans S.D. Manipulation and sorting of membrane proteins using patterned diffusion-aided ratchets with AC fields in supported bilayers. Soft Matter. 2012. 8(20): 5459. https://doi.org/10.1039/c2sm25473e

Drexler K.E. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation. (New York: Wiley, 1992).

Howard J. Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton. (Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2001).

Lipowsky R., Klumpp S. 'Life is Motion' - Multiscale Motility of Molecular. Motor. Physica A. 2005. 352(1): 53. https://doi.org/10.1016/j.physa.2004.12.034

Krogh A., Larsson B., von Heijne G., Sonnhammer E. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model. Application to complete genomes. J. Mol. Biol. 2001. 305(3): 567. https://doi.org/10.1006/jmbi.2000.4315

Vale R.D. The molecular motor toolbox for intracellular transport. Cell. 2003. 112(4): 467. https://doi.org/10.1016/S0092-8674(03)00111-9

Kramers H.A. Brownian motion in a field of force and the diffusion model of chemical reactions. Physica VII. 1940. 7(4): 284. https://doi.org/10.1016/S0031-8914(40)90098-2

Derrida B. Velocity and diffusion constant of a periodic one-dimensional hopping model. J. Stat. Phys. 1983. 31: 433. https://doi.org/10.1007/BF01019492

Gardiner C.R. Handbook of Stochastic Methods. 2nd ed (Berlin: Springer, 1985).

Parrondo J.M.R., Harmer G.P., Abbott D. New paradoxical games based on Brownian ratchets. Phys. Rev. Lett. 2000. 85(4): 5226. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.5226

Gorre-Talini L., Jeanjean S., Silberzan P. Sorting of Brownian particles by pulsed application of an asymmetric potential. Phys. Rev. E. 1997. 56(2): 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.56.2025

Okada Y., Hirokawa N. A Processive Single-Headed Motor: Kinesin Superfamily Protein KIF1A. Science. 1999. 283(5405): 1152. https://doi.org/10.1126/science.283.5405.1152

Dekhtyar M.L., Ishchenko A.A., Rozenbaum V.M. Photoinduced molecular transport in biological environments based on dipole moment fluctuations. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(41): 20111. https://doi.org/10.1021/jp063795q

Rozenbaum V.M. High-temperature brownian motors: Deterministic and stochastic fluctuations of a periodic potential. JETP Lett. 2008. 88(5): 342. https://doi.org/10.1134/S0021364008170128

Rozenbaum V.M. Constructive role of chaos: Brownian motors and winning strategies in game theory. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 100. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.100

Terets A.D., Korochkova T.Ye., Rozenbaum V.M., Mashira V.A., Shapochkina I.V., Furs A.N., Ikim M.I., Gromov V.F. Motion reversal modeling for a Brownian particle affected by nonequilibrium fluctuations. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(3): 395. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.03.395

Korochkova T.E., Shkoda N.G., Rozenbaum V.M., Kamysh Yu.A., Shapochkina I.V., Ikim M.I., Gerasimov G.N., Gromov V.F. General solution of Pauli master equation and applications to diffusive transport. Surface. 2018. 10(25): 3. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2018.10.003

Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of deterministic ratchets. Phys. Rev. E. 2019. 100(2): 022115-1-16. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.022115

Rozenbaum V.M., Yang D.-Y., Lin S.H., Tsong T.Y. Catalytic Wheel as a Brownian Motor. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(40): 15880. https://doi.org/10.1021/jp048200a